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Modélisation du cycle du Carbone
Equipe INRP ERTé ACCES
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Modélisation du cycle du Carbone et impacts
climatiques
Préliminaires :
Les programmes de SVT de seconde et de l'enseignement de spécialité de terminale S, ont pris
en compte l'étude du cycle du carbone dans l'optique de son implication dans les changements
climatiques. Cette étude, à différentes échelles de temps, intègre les deux disciplines, biologie
et géologie à travers les échanges de carbone entre les différentes enveloppes de la planète :
atmosphère, biosphère, hydrosphère et géosphère.
Ces échanges mettent en jeu des concepts biologiques comme la photosynthèse, la respiration
ou la fermentation, ainsi que des concepts géologiques comme le magmatisme, l'érosion ou la
sédimentation etc.
Pour pouvoir étudier les flux de carbone au niveau de la planète Terre dans l'optique des
changements climatiques passés, présent et futur, la modélisation numérique est un outil
incontournable. L'exercice est complexe mais les incertitudes se réduisent.
Objectifs pédagogiques :
Nous proposons des démarches pédagogiques qui s'appuient essentiellement sur l'exploitation
des banques de données et l'expérimentation en classe. Elles ont pour objectif la construction
de modèles numériques simples et progressifs en utilisant un logiciel de modélisation à
compartiments, le logiciel Vensim.
- Construction d’un modèle simple du cycle du carbone et découverte des notions de
réservoir, de flux, de convertisseur et de boucle de rétro action.
- Exploitation en mode simulation de modèles déjà construits à l’aide d’un visualiseur
Venread.
Des démarches visant à découvrir :
- L’impact des émissions anthropiques sur le cycle du carbone et le climat depuis 1780.
- L’impact de la biosphère, de l’orogenèse etc. sur le cycle du carbone depuis 600Ma.
Nous explorerons au cours de ce stage les enjeux de la modélisation numérique du point de
vue des apprentissages.

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Activité 1 : Interrogation des banques de données internationales
I- Présentation du prototype d’interface d’interrogation des banques de données
Ouvrir la page
http://www.inrp.fr/Acces/climat/
II- Exemple 1 : Les fichiers delta18O en paléoclimatologie
Choisir le paramètre delta 18O des glaces
Aller sur le serveur WDC for paleoclimatology, sur l’Antarctique, sur Dome C Epica.
Choisir Deuterium data
Afficher le fichier et enregistrer dans votre dossier personnel
Ouvrir le fichier txt avec Excel et convertir (Convertir, délimité, espace…)
Remplacer points par virgules,
Copier l’en-tête sur la page html
Enregistrer sous.
Option : Construction rapide du graphique
III- Exemple 2 : Le CO2
Choisir le paramètre : CO2
Nature des données : fichiers
L’interface ne fonctionne pas : Choisir la banque WDCGG.
Choisir CO2, Mauna-Loa, Monthly data 1974-2004 puis data.
Effectuer le même travail que précédemment avec la transformation des dates (Remarque sur la
suppression des valeurs du type -99
IV- La réalité du changement climatique
Ouvrir la page d’accueil du site ACCES sur la modélisation du cycle du carbone :
http://acces.inrp.fr/acces/equipes/modelisation/travaux/CCCIC/
Présentation du menu déroulant, des rubriques.
Afficher la page points scientifiques et pédagogiques, puis les variations du CO2 atm. Depuis
400 000 ans.
Bilan sur les variations récentes du CO2

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Activité 2 : Construire un modèle simple
Objectif :
Estimer par le calcul la quantité de Carbone présente dans l'atmosphère pour préciser l'impact de
la combustion des carburants fossiles.
Le constat :
Depuis quelques années et grâce à la puissance informatique, les scientifiques sont capables
d'estimer la température moyenne de l'air de la Terre. (Température globale).
Quelle a été la variation de température depuis un siècle (de 1900 à 2000)?
Proposez des hypothèses explicatives de ces variations.
Nous allons dans la suite du TP travailler sur une seule hypothèse que les scientifiques privilégient
en ce moment.
Première étape : Estimation par le calcul
La combustion des carburants fossiles peut-elle être responsable d'une augmentation de la
concentration atmosphérique en CO2?
Le travail sera effectué sur la période 1991 à 2001. Après avoir calculé la quantité de carbone
présente dans l'atmosphère en 1991, on regardera si les quantités émises par l'homme semblent
importantes ou au contraire négligeables.
Ouvrir le fichier tp1_carbone.xls et l'enregistrer dans votre répertoire personnel. Suivre les
instructions de calcul sur la feuille "masse de C".

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Concentration en CO2 (p CO2) en ppmv
Volume de la troposphère (en Km3)
Nombre de moles de CO2
= volume occupé par le CO2/Vol.molaire
= volume occupé par le CO2/22,4 dm3
= volume occupé par le CO2/(22,4*10-12) Km3
Masse de carbone présente en 1991
=Nombre de moles de CO2*12 (en g)
=Nombre de moles de CO2*12*10-15 (en Gt de C)
1. Sachant qu'en 1991, la concentration en CO2 était de 355,7 ppmv, calculer la masse
de Carbone présente dans l'atmosphère en 1991 (en Gt de C)
2. La quantité de Carbone rejetée par la combustion des carburants fossiles est estimée
par le GIEC (Groupe Intergouvernemental des experts du Climat, IPCC en anglais).
Sur la feuille "Combustion", calculer la quantité de Carbone émise par l'homme de
1991 à 2001.
3. Cette quantité vous semble-t-elle négligeable par rapport à la quantité de Carbone
présente dans l'atmosphère?
Deuxième étape : L'utilisation d'un modèle mathématique
Il aurait été possible sur le même principe de calcul d'estimer quelle aurait dû être la concentration
en CO2 en 2001 (connaissant la masse de Carbone à la même date). Nous pouvons aussi utiliser un
modèle que nous allons construire pas à pas.
Télécharger le fichier compressé data et l'enregistrer dans votre dossier personnel.
Le décompacter et ouvrir le model_1C.mdl. dans le dossier atmosphère
Suivre les instructions du professeur pour la construction du modèle.
Quelle aurait dû être la concentration en CO2 en 2001 d'après le modèle?
Quelle est-elle en réalité?
Utiliser le curseur pour faire varier les apports et comprendre cette différence. .

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Activité 3 : Le puits biosphérique.
I-Niveau de l’organisme ou de la cellule
Discussion sur les « manipulations paillasses ».
Réalisations et bilan.
II- Au sein de l’écosystème ou au niveau global
Utilisation des banques de données internationales pour traiter respiration et photosynthèse dans un
cadre global
Au niveau des écosystèmes :
Interrogation de la BDD Amériflux
http://cdiac.esd.ornl.gov/programs/ameriflux/data_system/aamer.html
Choisir par exemple le premier site (forêt primaire du Brésil).
Sélectionner Graph of variables times, puis CO2 concentration et une période de 4 j
(Attention à la datation anglo-saxonne).
Copier le graphe et le coller dans la feuille traitement de texte.
Demander le même graphe avec le Flux de CO2.